亭子口水利樞紐排水系統(tǒng)在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)建設(shè)探討

馮磊

(嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川蒼溪，628400)

針對當(dāng)前亭子口水利樞紐排水系統(tǒng)檢測方式單一且人力巡檢成本高，大多停留在對電機(jī)這一單一設(shè)備故障的研究，缺乏對排水系統(tǒng)整體工作狀態(tài)的研究等問題，通過設(shè)計(jì)實(shí)施水電站排水系統(tǒng)在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)，建立亭子口水電站排水系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)評價指標(biāo)體系，實(shí)現(xiàn)對排水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測及故障實(shí)時診斷分析，使運(yùn)行人員能夠隨時隨地對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行查看，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常、掌握設(shè)備性能的變化，能夠在設(shè)備出現(xiàn)劣化趨勢時及時對設(shè)備安排檢修處理，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性，為主設(shè)備及廠房安全提供保障。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測還能減少設(shè)備巡檢工作量，提高運(yùn)行人員的勞動效率。

1 排水系統(tǒng)在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)建設(shè)的必要性

亭子口水利樞紐廠內(nèi)排水系統(tǒng)分為機(jī)組檢修排水系統(tǒng)和廠房滲漏排水系統(tǒng)。機(jī)組檢修排水系統(tǒng)設(shè)置3臺立式深井泵和1臺潛水排污泵，主要是水輪機(jī)流道中的積水排水；廠房滲漏排水系統(tǒng)設(shè)置3臺立式深井泵和1臺潛水排污泵，主要是水工建筑物滲漏水量、機(jī)組生產(chǎn)水量以及生活水量排水。廠外排水系統(tǒng)分為21#壩段排水系統(tǒng)、27#壩段排水系統(tǒng)、底孔消力池排水系統(tǒng)、表孔消力池排水系統(tǒng)。21#壩段排水系統(tǒng)設(shè)置潛水排污泵4臺，27#壩段排水系統(tǒng)設(shè)置潛水排污泵4臺，底孔消力池排水系統(tǒng)設(shè)置潛水排污泵2臺，表孔消力池排水系統(tǒng)設(shè)置2臺深井泵和1臺潛水排污泵。排水主要是水工建筑物滲漏水、表孔壩段滲漏排水、底孔壩段滲漏排水和表孔消力池滲漏排水、底孔消力池滲漏排水等。

亭子口水利樞紐排水系統(tǒng)作為水電站主要公用輔機(jī)設(shè)備，對電站大壩和廠房安全起到重要的作用，一旦發(fā)生異常則會影響重要生產(chǎn)設(shè)備的安全，甚至發(fā)生水淹廠房的事故，為了保障排水系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，通過對其設(shè)計(jì)實(shí)施排水系統(tǒng)在線監(jiān)測及診斷分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)設(shè)備故障被提前發(fā)現(xiàn)、及時解決是非常必要的，避免因排水系統(tǒng)異常而產(chǎn)生更大的安全隱患。

2 系統(tǒng)建設(shè)及總構(gòu)架

主要通過對亭子口水利樞紐排水泵電機(jī)安裝振動傳感器、溫度傳感器、電壓電流互感器采集電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過通訊協(xié)議接入控制系統(tǒng)或監(jiān)控系統(tǒng)中集水井水位、電機(jī)控制信號等數(shù)據(jù)，完成排水系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集匯聚，為診斷分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；診斷分析系統(tǒng)再通過人工智能算法對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，挖掘出設(shè)備狀態(tài)評價指標(biāo)，最后通過可視化技術(shù)將評價指標(biāo)集合展示傳送給電站運(yùn)行人員進(jìn)行實(shí)時監(jiān)視[1]。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 排水系統(tǒng)在線監(jiān)測及診斷分析系統(tǒng)總體構(gòu)架

3 系統(tǒng)研發(fā)建設(shè)的關(guān)鍵和難點(diǎn)

當(dāng)前，人工智能方法的發(fā)展以及許多案例的成功運(yùn)用，為設(shè)備故障預(yù)測技術(shù)開拓了新的途徑，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是其中重要的新興技術(shù)，隨著人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)(ANN)的研究進(jìn)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)越來越多地應(yīng)用于設(shè)備診斷的各個方面，從模式識別、壽命預(yù)測、故障診斷指導(dǎo)決策支持都有應(yīng)用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的例子，而且取得了很好的效果。本系統(tǒng)研發(fā)建設(shè)的關(guān)鍵和難點(diǎn)問題如下：

(1)電機(jī)振動頻譜信號與電機(jī)機(jī)械故障之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。通過對排水泵電機(jī)振動頻譜信號的解析為電機(jī)機(jī)械故障診斷提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在電機(jī)振動的頻譜上，不同的頻率分布往往對應(yīng)著不同的振動原因，如果知道了振動信號中所包含的頻率分量，就比較容易找到引起振動的原因。

(2)排水系統(tǒng)模型機(jī)理設(shè)計(jì)。應(yīng)根據(jù)排水系統(tǒng)工作流程，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的指標(biāo)量化。

(3)機(jī)理模型與算法的融合實(shí)現(xiàn)。所設(shè)計(jì)的機(jī)理模型需能夠通過現(xiàn)有計(jì)算方法及計(jì)算性能實(shí)現(xiàn)。

4 主要創(chuàng)新點(diǎn)

(1)國內(nèi)外在針對排水系統(tǒng)電機(jī)機(jī)械故障診斷方面多以離線監(jiān)測、人工分析為主，本系統(tǒng)通過對電機(jī)安裝振動、溫度、電壓電流的監(jiān)測傳感器，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測，并通過流式算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等大數(shù)據(jù)技術(shù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行在線分析計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)機(jī)械故障的在線診斷。

(2)目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在工業(yè)領(lǐng)域的運(yùn)用多為生產(chǎn)制造行業(yè)，很少有在發(fā)電領(lǐng)域，尤其是電站輔助設(shè)備方面的運(yùn)用，且研究方面較為單一，只考慮單一設(shè)備的故障診斷分析，并沒有對整個輔助控制系統(tǒng)整體進(jìn)行評價分析，本系統(tǒng)故障指標(biāo)體系的建立，能夠?qū)λ娬九潘到y(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行整體評價[2]。

5 預(yù)期效益分析

亭子口水利樞紐排水系統(tǒng)在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)建設(shè)將在設(shè)備可靠性、經(jīng)濟(jì)效益、成果提煉等方面產(chǎn)生積極作用。

(1)提高排水系統(tǒng)水泵電機(jī)的可靠性，能夠減少電機(jī)故障次數(shù)，避免電機(jī)故障而更換電機(jī)，預(yù)計(jì)能夠?qū)⑴潘秒姍C(jī)更換頻率降低一倍。

(2)因排水系統(tǒng)設(shè)備異常提前發(fā)現(xiàn)而減少的檢修損失以及對電站其他設(shè)備安全穩(wěn)定所產(chǎn)生的效益難以預(yù)估，但其收益較大(如可避免重要設(shè)備進(jìn)水、廠房被淹等)。

(3)此項(xiàng)目在國內(nèi)尚無應(yīng)用案例，屬于國內(nèi)水電站首創(chuàng)。本系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)用成果將為公司排水系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)測及診斷分析積累原始數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)其他電站部署提供參考，提高企業(yè)的生產(chǎn)效益，提升亭子口水利樞紐集中管控水平。

(4)系統(tǒng)的建設(shè)實(shí)施可大力提升亭子口水利樞紐信息化建設(shè)水平和智慧企業(yè)建設(shè)水平。